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关于相对论

时间:2022-02-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:相对论实在可以说是对麦克斯韦和洛伦兹的伟大构思画了最后的一笔,因为它力图把场物理学扩充到包括引力在内的一切现象。其结果是,以惯性和重量相等为根据的广义相对论,提供了一种引力场理论。广义相对论的进展所根据的,还有另一个因素。这条论证路线因广义相对论的关系而大大地增强了自己的力量,因为依照广义相对论,空间的物理性质是受到有重物质的影响的。
关于相对论_爱因斯坦文集

我能够荣幸地在这个曾经产生过理论物理学的许多最重要基本观念的国家的首都发表讲话,特别感到高兴。我想到的是牛顿所给我们的物体运动和引力理论,以及法拉第麦克斯韦借以把物理学放到新基础上的电磁场概念。相对论实在可以说是对麦克斯韦和洛伦兹的伟大构思画了最后的一笔,因为它力图把场物理学扩充到包括引力在内的一切现象。

回到相对论的本身上来,我急于要请大家注意到这样的事实:这理论并不是起源于思辨;它的创建完全由于想要使物理理论尽可能适应于观察到的事实。我们在这里并没有革命行动,而不过是一条可回溯几世纪的路线的自然继续。要放弃某些迄今被认为是基本的,同空间、时间和运动有关的观念,绝不可认为是随意的,而只能认为是由观察到的事实所决定的。

电动力学和光学的发展所证实了的空虚空间中光速不变定律,以及那个由著名的迈克耳孙实验以特别精密的方式证明了的一切惯性系的等效性(狭义相对性原理),在这两者之间,首先有必要使时间概念成为相对的,对每一惯性系都规定它自己的特殊的时间。随着这一观念的发展,弄明白了:以直接经验为一方,以坐标和时间为另一方,两者之间的关系一直是未曾经过充分精密地思考过的。总之,相对论的主要特点之一,是它竭力要比较精确地解决普遍概念同经验事实之间的关系。这里的基本原则是:一个物理概念的正确与否,唯一地取决于它对所经验到的事实的明晰而无歧义的关系。依照狭义相对论,空间坐标和时间,就它们可以用静止的钟和物体来直接量度而论,仍然有绝对的特征。可是,就它们取决于所选择的惯性系的运动状态而论,它们则是相对的。依照狭义相对论,由空间和时间结合而成的四维连续区(明可夫斯基),仍然保持着绝对性;而依照以前的理论,这种绝对性则分别为空间和时间各自所有。由于把坐标和时间解释为量度的结果,就导出了运动(相对于坐标系)对物体形状和时钟运行的影响,也导出了能量同惯性质量的相当性。

广义相对论的创立,首先是由于物体的惯性质量同引力质量在数值上相等这一经验事实,对于这一基本事实,古典力学是无法解释的。把相对性原理扩充到彼此相对加速的坐标系,就得到了这样的解释。引进相对于惯性系加速的坐标系,就出现了相对于惯性系的引力场。其结果是,以惯性和重量相等为根据的广义相对论,提供了一种引力场理论。

把彼此相对加速的坐标系都作为同样合法的坐标系(就像它们由惯性和重量的同一性所决定的那样)来引用,再加上狭义相对论的结果,就得出了如下的结论:当存在着引力场时,支配固体在空间里排列的定律不符合欧几里得几何的定律。时钟的运行也得到类似的结果。这使我们不得不把空间和时间的理论再加推广,因为能用量杆和时钟来量度的空间和时间坐标的直接解释,现在站不住脚了。度规的这种推广——在纯粹数学领域内它早已通过高斯和黎曼的研究而达到了——本质上是以下面的事实为根据的:狭义相对论的度规在一般情况下,对于小范围仍然可以有效。

这里所讲的发展过程,取消了空间-时间坐标的一切独立的实在性。现在只有通过空间-时间坐标同描述引力场的数学量的结合,才能给出度规的实在性。

广义相对论的进展所根据的,还有另一个因素。正如恩斯特·马赫所坚持指出的,牛顿的理论在下述方面是不能令人满意的:如果人们从纯粹描述的观点,而不是从因果性的观点来考查运动,那么就只存在物体相互之间的相对运动。但是,如果人们从相对运动这概念出发,那么在牛顿运动方程中出现的加速度就难以理解了。这迫使牛顿想出一种物理空间,假定加速度是相对于它而存在的。为此特意(adhoc)引进绝对空间概念,虽然这在逻辑上是无懈可击的,但似乎难以令人满意。因此,马赫曾企图修改力学方程,使物体的惯性不是追溯到这些物体对于绝对空间的相对运动,而是追溯到它们对于其余全部有重物体的相对运动。在当时的知识状况下,他这种企图非失败不可。

但是提出这个问题,似乎完全是合理的。这条论证路线因广义相对论的关系而大大地增强了自己的力量,因为依照广义相对论,空间的物理性质是受到有重物质的影响的。在我看来,广义相对论要令人满意地解决这问题,只有把世界看作在空间上是闭合的。如果人们相信,世界上有重物质的平均密度具有某一非无限小的值,那么无论它怎样小,这一理论的数学结果都迫使人们采取这种观点。

 

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(1) 这是爱因斯坦于1921年6月13日在伦敦皇家学院(King's College)的讲话,讲稿最初发表在《民族和学园》杂志(Nation and Athenaeum)29卷431—432页。这里译自《我的世界观》英译本(1934年)68—73页和《思想和见解》246—249页。——编译者

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